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摘 要;本文针对特高压变电站数字物理混合仿真培训系统,阐述了仿真培训系统的软件开发特点、主要功能和仿真系统架构。该仿真系统采用了电磁暂态模型和瞬时值计算方法、虚拟仪器和虚拟现实技术,配有与现场一致的真实继电保护等装置,是我国第一套特高压变电站数字物理混合仿真培训系统,其技术处于国内领先啦平目应用前景广阔。
关键词:特高压;变电站;混合仿真;培训系统
作者简介:王永清(1963-),男,辽宁大连人,东北电网有限公司大连培训中心,讲师,高级技师,主要研究方向:变电仿真开发和仿真培训。(辽宁大连116023)赵连政(1964-),男,北京人,华北电网有限公司培训中心,讲师,高级技师,主要研究方向:变电仿真开发和仿真培训。(北京102401)
随着晋东南一南阳一荆门1000千伏特高压交流试验示范工程的稳定运行,我国将继续加快特高压电网建设。特高压输电的特点是电压高、容量大、输送距离长。1000千伏交流线路的自然输送功率约为500千伏线路的4～5倍,对电网的安全、经济运行至关重要,这就要求运行值班员具备较高的业务素质。仿真培训是提高运行值班员操作技能和事故处理能力的最有效途径之一,为此东北电网有限公司大连培训中心与北京科东控制系统有限责任公司联合研制开发了特高压变电站数字物理混合仿真培训系统。
一、仿真系统的特点
1.仿真对象及范围
本仿真培训系统的仿真对象为晋东南一南阳一荆门1000千伏特高压交流试验示范工程,涵盖了1000千伏特高压电网、晋东南变电站(长治变电站)、南阳开关站和荆门变电站。电网仿真包括500千伏和1000千伏变电站、输电线路,500千伏上网电厂、 500千伏变电站的220千伏母线的等值负荷;变电站仿真范围为全部一、二次设备,包括:1000千伏主变压器、500千伏和1000千伏HGIS、110千伏/380伏系统及低压设备、直流系统及UPS、同期并列系统、继电保护、测控及自动装置、录波装置的仿真和“五防”系统的仿真等,主接线形式为双断路器接线,远期为3/2接线。
2.数字物理混合模式仿真
为了提供一个真实的运行环境,在荆门变电站的仿真中配备了与现场一致、真实的继电保护等装置,包括1000千伏南荆I线CSC-103A和RCS-902两套线路保护、1000千伏南荆I线高抗WKB-801A和PRS-747两套保护、4组1000千伏断路器保护(RCS-921A和CZX22R2)、主变压器SGT-756和RCS-978HB两套保护/FST-BT500非电量保护、调压补偿变SGT-756和RCS-978C两套保护/FST-BTS00非电量保护、500千伏荆斗I线CSC-103C和RCS931两套线路保护、500千伏断路器保护(RCS921A和CZX22R2)、500kV#1M母线BP-2B第一套母线保护、ZH-3嵌入式故障录波分析装置和直流设备等。
3.虚拟现实技术
采用虚拟现实技术可以增强一、二次设备真实感、直观感、现场感。对变电站的一、二次设备仿真采用虚拟现实技术和虚拟仪器技术,能实现一、二次设备的三维重现,能形象地反映设备的正常、异常、事故状态及其动作过程。该技术不但可以对虚拟场景中的设备巡视、检查、漫游,而且可以进行虚拟操作,另外还可以提供各种事故状态的事故场景,如:着火、爆炸、断路器动作声音及隔离开关出现的弧光等。
二、仿真系统总体架构
1.仿真系统硬件结构
仿真培训系统的硬件系统是由教练员台、学员台、荆门变混合仿真设备、交换机、网络设备和打印机等部分组成。荆门变混合仿真设备包括变电站二次加载装置、断路器与隔离开关及其操作机构模拟装置、二次回路故障模拟器、通信网络设备以及部分真实的变电站实际二次设备等组成。其中变电站二次加载装置包括:混合仿真I/0系统服务器,电流、电压功率放大器,高速、高精度同步输出数字模拟转换器,高速通信及开关量输入输出系统。
仿真系统采用分布式,对等结构,易于扩展,具备远程培训功能。该系统能实现仿真变电站一次系统三维仿真、二次设备三维仿真和监控系统仿真的独立显示,具有与现场一致的人机对话界面,硬件系统结构如图1所示。
2.仿真系统软件
特高压仿真软件系统的软件主要包括:计算机系统软件、仿真支撑系统软件、特高压变电站仿真软件、特高压电网仿真软件、教员与学员系统软件和变电站混合仿真接口系统软件等。
仿真支撑系统采用支持交互式、分布式仿真系统的仿真软件开发平台,电网仿真、变电站仿真和教员与学员系统集成到一个综合的仿真环境中,仿真软件支撑系统采用总线式对称体系结构,具有良好的可伸缩性和扩充性,能够满足各种规模分布式仿真培训系统的需要,可以实现在广域网上进行远程培训。
仿真系统在建模上,应采用图形、数据库和仿真模型的一体化技术。在新型设备建模上。使用可视化自定义软件模型技术和图型建模技术,在变电站一、二次设备仿真上,采用组件建模技术。
在变电站仿真软件中,对变电站的一、二次设备仿真和巡视中采用了虚拟仪器技术和虚拟现实技术,实现三维重现,能形象地反映设备的正常、异常、事故状态及其动作过程,提高了系统的真实感、现场感。
在变电站综合自动化系统仿真上,采用动态菜单、动态图符和人机界面服务器等技术。
在电网仿真软件中,采用固定结构的稀疏矩阵技术、微分方程与代数方程的联立求解技术、PQ分解法与牛顿法交替求解技术、自动变步长技术、自动多重开断技术、阻抗矩阵技术和外部电网自适应动态等值技术等先进电网仿真技术,实现了电力系统暂态与中长期过程的统一仿真,提高了电网及变电站系统的模拟质量。
在变电站数字物理混合仿真软件中,建立电力系统元件的电磁暂态模型,采用瞬时值计算方法,通过实时数字混合接口技术实现与电网仿真软件的一体化。
三、仿真系统的主要功能
特高压变电站数字物理混台仿真培训系统不仅能对学员进行岗位培训和考核。同时可对继电保护及二次人员进行培训。
1.日常监视与巡视培训功能
定时手抄或自动打印运行表单并计算电量,利用计算机或人工填写各种记录、日志、工作票、操作票、各种报文报表、统计电压合格率等。监视培训包括断路器、隔离开关的状态;电压、电流、有功、无功、频率、变压器温度等表计的指示;信号指示灯及光字牌的指示,保护及自动装置的运行状态、压板、切换连片、报警等信号的监视等工作。
由于特高压变电站仿真培训系统采用真实的继电保护设备和虚拟现实技术,真实再现变电站所有设备正常、异常、事故工况下的各种状态,学员可以选取巡视所用的安全工器具,并按《现场运行规程》及巡视路线对设备的状态进行巡视检查和处理。
2.倒闸操作培训功能 倒闸操作培训功能实现了倒闸操作票的填写和倒闸操作等培训功能。操作票系统用于培养学员填写操作票的正确性和规范性,学员可按操作票进行变电站所有操作,包括监控系统主接线图、虚拟现实系统中全部一次设备、站用电、直流系统等设备的各种操作、相关信号、表计、指示灯的实时变化等;二次部分小开关、熔断器、电流端子,保护自动装置压板的投切、方式切换及其液晶面板的操作、打印、保护定值修改,同时也包括:验电操作,各种操作的信号灯及位置指示器实时响应,对电网的影响与现场一致。
3.异常及事故处理培训功能
(1)缺陷仿真。如HGIS的位置指示不正确、SF6表计指示异常,瓷件清洁度低、闪络及裂纹,引线过热及断股;变压器(高抗)漏油、吸潮器变色及套管闪络,接地引下线锈蚀或断裂等。教练员可适时插入设备缺陷,以考核学员在设备巡视过程中,能否及时发现并作相应的处理。
(2)异常仿真。设备异常仿真分两种情况,一种是设置的异常,如:二次回路短路、断线及接触不良、变压器匝间轻微短路、电压互感器二次断线等。另一种是在运行中自然发生的,如:变压器过负荷、变压器油温超过允许值、电源消失等。设备异常发生时,将引发相应告警信号,相应画面及监视仪表反应与现场一致。
(3)事故仿真。事故的仿真分两种情况,一种是设置的事故,如:线路故障、母线故障、变压器故障等。另一种是误操作事故。这种故障在模型中自然引发。另外还可设置断路器拒动、保护拒动、误动来扩大事故范围。
4.继电保护及二次人员培训功能
特高压变电站数字物理混合仿真培训系统由于装有与荆门变电站一致的继电保护等装置,可以实现对变电站继电保护及二次装置的培训。如:保护装置及二次回路调试检验技术的培训,保护装置及二次回路缺陷分析、处理技能的培训,保护装置使用及保护动作报告、故障录波报告等信鼠分析的技能培训,直流系统接地判断,查找及处理技能的培训等。
5.教练员台功能
教练员可灵活控制培训的模式、内容和进程,对培训进行控制、监视和管理。教员台主要功能包括:仿真时间控制(标准时间运行、快速运行、慢速运行),仿真培训进程控制(初始工况选择、冻结、快存、返回、重演、超控等)t异常及事故设置(单个或复合故障、按照时序任意成的成组故障,故障项目根据需要可随时增删和修改),事件记录(自动记录教练员、学员台上的操作和系统信息,以便对学员进行考核、寻找事故原因及进行事故分析)。
四、结束语
该仿真培训系统是国内目前为止第一套特高压变电站数字物理混合仿真培训系统,仿真范围涵盖了1000千伏特高压交流试验示范工程的三个变电站。该系统配备与荆门变电站一致的继电保护等装置,在变电站数字物理混合仿真软件中采用瞬时值计算方法,使得现场环境逼真,真实感强,计算精准,适用面广,不仅可以对变电运行人员培训,同时可以开展继电保护及二次人员培训,为特高压运行人员的素质提高和人员储备提供了良好的培训环境。
关键词:特高压;变电站;混合仿真;培训系统
作者简介:王永清(1963-),男,辽宁大连人,东北电网有限公司大连培训中心,讲师,高级技师,主要研究方向:变电仿真开发和仿真培训。(辽宁大连116023)赵连政(1964-),男,北京人,华北电网有限公司培训中心,讲师,高级技师,主要研究方向:变电仿真开发和仿真培训。(北京102401)
随着晋东南一南阳一荆门1000千伏特高压交流试验示范工程的稳定运行,我国将继续加快特高压电网建设。特高压输电的特点是电压高、容量大、输送距离长。1000千伏交流线路的自然输送功率约为500千伏线路的4～5倍,对电网的安全、经济运行至关重要,这就要求运行值班员具备较高的业务素质。仿真培训是提高运行值班员操作技能和事故处理能力的最有效途径之一,为此东北电网有限公司大连培训中心与北京科东控制系统有限责任公司联合研制开发了特高压变电站数字物理混合仿真培训系统。
一、仿真系统的特点
1.仿真对象及范围
本仿真培训系统的仿真对象为晋东南一南阳一荆门1000千伏特高压交流试验示范工程,涵盖了1000千伏特高压电网、晋东南变电站(长治变电站)、南阳开关站和荆门变电站。电网仿真包括500千伏和1000千伏变电站、输电线路,500千伏上网电厂、 500千伏变电站的220千伏母线的等值负荷;变电站仿真范围为全部一、二次设备,包括:1000千伏主变压器、500千伏和1000千伏HGIS、110千伏/380伏系统及低压设备、直流系统及UPS、同期并列系统、继电保护、测控及自动装置、录波装置的仿真和“五防”系统的仿真等,主接线形式为双断路器接线,远期为3/2接线。
2.数字物理混合模式仿真
为了提供一个真实的运行环境,在荆门变电站的仿真中配备了与现场一致、真实的继电保护等装置,包括1000千伏南荆I线CSC-103A和RCS-902两套线路保护、1000千伏南荆I线高抗WKB-801A和PRS-747两套保护、4组1000千伏断路器保护(RCS-921A和CZX22R2)、主变压器SGT-756和RCS-978HB两套保护/FST-BT500非电量保护、调压补偿变SGT-756和RCS-978C两套保护/FST-BTS00非电量保护、500千伏荆斗I线CSC-103C和RCS931两套线路保护、500千伏断路器保护(RCS921A和CZX22R2)、500kV#1M母线BP-2B第一套母线保护、ZH-3嵌入式故障录波分析装置和直流设备等。
3.虚拟现实技术
采用虚拟现实技术可以增强一、二次设备真实感、直观感、现场感。对变电站的一、二次设备仿真采用虚拟现实技术和虚拟仪器技术,能实现一、二次设备的三维重现,能形象地反映设备的正常、异常、事故状态及其动作过程。该技术不但可以对虚拟场景中的设备巡视、检查、漫游,而且可以进行虚拟操作,另外还可以提供各种事故状态的事故场景,如:着火、爆炸、断路器动作声音及隔离开关出现的弧光等。
二、仿真系统总体架构
1.仿真系统硬件结构
仿真培训系统的硬件系统是由教练员台、学员台、荆门变混合仿真设备、交换机、网络设备和打印机等部分组成。荆门变混合仿真设备包括变电站二次加载装置、断路器与隔离开关及其操作机构模拟装置、二次回路故障模拟器、通信网络设备以及部分真实的变电站实际二次设备等组成。其中变电站二次加载装置包括:混合仿真I/0系统服务器,电流、电压功率放大器,高速、高精度同步输出数字模拟转换器,高速通信及开关量输入输出系统。
仿真系统采用分布式,对等结构,易于扩展,具备远程培训功能。该系统能实现仿真变电站一次系统三维仿真、二次设备三维仿真和监控系统仿真的独立显示,具有与现场一致的人机对话界面,硬件系统结构如图1所示。
2.仿真系统软件
特高压仿真软件系统的软件主要包括:计算机系统软件、仿真支撑系统软件、特高压变电站仿真软件、特高压电网仿真软件、教员与学员系统软件和变电站混合仿真接口系统软件等。
仿真支撑系统采用支持交互式、分布式仿真系统的仿真软件开发平台,电网仿真、变电站仿真和教员与学员系统集成到一个综合的仿真环境中,仿真软件支撑系统采用总线式对称体系结构,具有良好的可伸缩性和扩充性,能够满足各种规模分布式仿真培训系统的需要,可以实现在广域网上进行远程培训。
仿真系统在建模上,应采用图形、数据库和仿真模型的一体化技术。在新型设备建模上。使用可视化自定义软件模型技术和图型建模技术,在变电站一、二次设备仿真上,采用组件建模技术。
在变电站仿真软件中,对变电站的一、二次设备仿真和巡视中采用了虚拟仪器技术和虚拟现实技术,实现三维重现,能形象地反映设备的正常、异常、事故状态及其动作过程,提高了系统的真实感、现场感。
在变电站综合自动化系统仿真上,采用动态菜单、动态图符和人机界面服务器等技术。
在电网仿真软件中,采用固定结构的稀疏矩阵技术、微分方程与代数方程的联立求解技术、PQ分解法与牛顿法交替求解技术、自动变步长技术、自动多重开断技术、阻抗矩阵技术和外部电网自适应动态等值技术等先进电网仿真技术,实现了电力系统暂态与中长期过程的统一仿真,提高了电网及变电站系统的模拟质量。
在变电站数字物理混合仿真软件中,建立电力系统元件的电磁暂态模型,采用瞬时值计算方法,通过实时数字混合接口技术实现与电网仿真软件的一体化。
三、仿真系统的主要功能
特高压变电站数字物理混台仿真培训系统不仅能对学员进行岗位培训和考核。同时可对继电保护及二次人员进行培训。
1.日常监视与巡视培训功能
定时手抄或自动打印运行表单并计算电量,利用计算机或人工填写各种记录、日志、工作票、操作票、各种报文报表、统计电压合格率等。监视培训包括断路器、隔离开关的状态;电压、电流、有功、无功、频率、变压器温度等表计的指示;信号指示灯及光字牌的指示,保护及自动装置的运行状态、压板、切换连片、报警等信号的监视等工作。
由于特高压变电站仿真培训系统采用真实的继电保护设备和虚拟现实技术,真实再现变电站所有设备正常、异常、事故工况下的各种状态,学员可以选取巡视所用的安全工器具,并按《现场运行规程》及巡视路线对设备的状态进行巡视检查和处理。
2.倒闸操作培训功能 倒闸操作培训功能实现了倒闸操作票的填写和倒闸操作等培训功能。操作票系统用于培养学员填写操作票的正确性和规范性,学员可按操作票进行变电站所有操作,包括监控系统主接线图、虚拟现实系统中全部一次设备、站用电、直流系统等设备的各种操作、相关信号、表计、指示灯的实时变化等;二次部分小开关、熔断器、电流端子,保护自动装置压板的投切、方式切换及其液晶面板的操作、打印、保护定值修改,同时也包括:验电操作,各种操作的信号灯及位置指示器实时响应,对电网的影响与现场一致。
3.异常及事故处理培训功能
(1)缺陷仿真。如HGIS的位置指示不正确、SF6表计指示异常,瓷件清洁度低、闪络及裂纹,引线过热及断股;变压器(高抗)漏油、吸潮器变色及套管闪络,接地引下线锈蚀或断裂等。教练员可适时插入设备缺陷,以考核学员在设备巡视过程中,能否及时发现并作相应的处理。
(2)异常仿真。设备异常仿真分两种情况,一种是设置的异常,如:二次回路短路、断线及接触不良、变压器匝间轻微短路、电压互感器二次断线等。另一种是在运行中自然发生的,如:变压器过负荷、变压器油温超过允许值、电源消失等。设备异常发生时,将引发相应告警信号,相应画面及监视仪表反应与现场一致。
(3)事故仿真。事故的仿真分两种情况,一种是设置的事故,如:线路故障、母线故障、变压器故障等。另一种是误操作事故。这种故障在模型中自然引发。另外还可设置断路器拒动、保护拒动、误动来扩大事故范围。
4.继电保护及二次人员培训功能
特高压变电站数字物理混合仿真培训系统由于装有与荆门变电站一致的继电保护等装置,可以实现对变电站继电保护及二次装置的培训。如:保护装置及二次回路调试检验技术的培训,保护装置及二次回路缺陷分析、处理技能的培训,保护装置使用及保护动作报告、故障录波报告等信鼠分析的技能培训,直流系统接地判断,查找及处理技能的培训等。
5.教练员台功能
教练员可灵活控制培训的模式、内容和进程,对培训进行控制、监视和管理。教员台主要功能包括:仿真时间控制(标准时间运行、快速运行、慢速运行),仿真培训进程控制(初始工况选择、冻结、快存、返回、重演、超控等)t异常及事故设置(单个或复合故障、按照时序任意成的成组故障,故障项目根据需要可随时增删和修改),事件记录(自动记录教练员、学员台上的操作和系统信息,以便对学员进行考核、寻找事故原因及进行事故分析)。
四、结束语
该仿真培训系统是国内目前为止第一套特高压变电站数字物理混合仿真培训系统,仿真范围涵盖了1000千伏特高压交流试验示范工程的三个变电站。该系统配备与荆门变电站一致的继电保护等装置,在变电站数字物理混合仿真软件中采用瞬时值计算方法,使得现场环境逼真,真实感强,计算精准,适用面广,不仅可以对变电运行人员培训,同时可以开展继电保护及二次人员培训,为特高压运行人员的素质提高和人员储备提供了良好的培训环境。